Carsten Andersen & Karsten Rislå Fordypning i BOOST ER Systemforståelse, elektriske målinger og oppgaver Basisforlaget
Carsten Andersen Karsten Rislå Basisforlaget Kronprinsensgt. 6 4608 Kristiansand Tlf. 38 17 88 20 Faks 38 17 88 21 E-post basisforlaget@basisforlaget.no Internett http://www.basisforlaget.no 2
Forord, forutsetning og forberedelse Oppstart Du må på forhånd ha bygget en DIGI-Booster for å arbeide med dette heftet. Den må virke. Innhold Fordypning i DIGI-Booster er på tre avsnitt. Første avsnitt er en gjennomgang av systemet til DIGI-Boosteren. Det neste avsnitt er elektriske målinger på DIGI-Booster. Det siste avsnitt er et antall oppgaver i både systemet og de enkelte komponentene til DIGI-Booster. Forberedelse Før du begynner må du gjenta noen målinger fra oppstarten av DIGI-Booster. Du må sikre deg at systemet virkelig er i orden. Forutsetning I dette heftet skal det lages et antall elektriske målinger på DIGI-Booster. Du må ha til rådighet disse måleinstrumentene: 1 anlig multimeter. 2 Signalgenerator (RC-generator). 3 Serviceoscilloskop. 4 Det er ønskelig med et AC-voltmeter med stor båndbredde. NB! Mange digitale multimetre har en båndbredde på bare 1000 Hz, noe som ikke er nok til måling på audioutstyr. Som erstatning for et AC-voltmeter kan en i stedet bruke et oscilloskop. En må da regne om fra spiss/spiss-spenning til effektiv-verdi ved hver måling. Det kan gjøres meget hurtig med en vanlig lommeregner. 3
1 Systemforståelse Teknisk beskrivelse av DIGI-Booster Det elektriske systemet består av et lite og et stort mønsterkort. Det lille mønsterkortet inneholder to jack-kontakter og en volumkontroll. Det store kortet inneholder kraftforsyning og effektforsterker. Det lille kortet Jack-kontaktene har innebygde brytere. Dette gjør at systemet kan spille mono når en bare har en DIGI-Booster. Høyre og venstre kanal blir da lagt sammen. Hvis en har to DIGI-Boostere blir de to kanalene automatisk splittet til stereo ved sammenkopling. Mono Når Digi-Booster opereres i mono tilføres signalet til jack-kontakt J1. De to kanalene legges sammen slik at resultatet blir mono. Det ene signalet går via R 1 direkte til styrkekontrollen. Det andre signalet skal imidlertid først en tur gjennom jack-kontakt J 2. I denne er det en bryter som er PÅ i hvilestilling. Den er i hvilestilling fordi det ikke er noen jack-kontakt plugget inn. Signalet går derfor ut igjen via resistansen R 2 og til styrkekontrollen. De to signalene blir så lagt sammen til mono. Stereo ed stereo koples også inngangssignalet til J 1. Det ene signalet går fremdeles via R 1 direkte til styrkekontrollen. Nå koples også en Jack-plugg til J 2 for å hente et signal til den andre Digi- Boosteren. Bryteren J 2 blir dermed A slik at signalet som før gikk til styrkekontrollen fjernes og føres videre til J1 på den andre Digi-Boosteren. Dermed får hver av de to Digi- Boosterene hver sin kanal. Resultatet er vanlig stereo. 4
Det store kortet På det store kortet finnes kraftforsyning og effektforsterker. i starter med kraftforsyningen. Kraftforsyningen består av nettransformator, likeretter og ladekondensatorer. Transformatorens primærvikling er beregnet for 230 og 50 til 60 Hz. Sekundærviklingene er merket 2 x 12 målt ved 2 x 8 voltampere. Det betyr at spenningen fra transformatoren er målt ved en bestemt belastning. En kan derfor ikke forvente å måle 12 når transformatoren ikke er belastet, men man vil måle en større spenning. Likeretteren består av fire dioder (D 1-4 ) som er koplet som en tradisjonell helbølgelikeretter. Den gir fra seg både en positiv og en negativ spenning i forhold til null. Ladekondensatorene er montert to plasser: Direkte ved likeretteren (C 1 og C 11 ) og ved utgangstransistorene (C 2 og C 12 ). Hver kondensator er merket 4700 µf, noe som gjør at den samlede ladekapasiteten er på 18800 µf. Positiv spenning Diodene merket D 1 og D 2 er begge koplet med anodene mot trafoens sekundærviklinger og gir derfor positiv spenning på katodene. De utgjør den positive delen av spenningsforsyningen. Kondensatorene merket C 1 og C 2 er ladekondensatorene for den positive spenningsforsyningen. Negativ spenning Diodene merket D 3 og D 4 er begge koplet med katodene mot trafoens sekundærviklinger og gir derfor negativ spenning på anodene. De utgjør den negative delen av spenningsforsyningen. Kondensatorene merket C 11 og C 12 er ladekondensatorene for den negative spenningsforsyningen. A-PÅ Indikasjon på at DIGI-Booster er PÅ vises med lysdioden LED 1 som er koplet til den negative spenningen. Legg merke til at katoden er koplet til minus slik at LED en koples i lederetning. 5
6
Effektforsterkeren finnes også på det store kortet. Effektforsterkeren er en ikke-inverterende operasjonsforsterker koplet med diskrete komponenter. Forsterkeren har to innganger og en utgang. Den ene inngangen fasevender signalet 180. Den kalles inverterende inngang og merkes med et tegn. Den andre inngangen fasevender 0 og merkes med et +tegn. Inngangssignalet går til basis på T 1. Denne sender signalet videre til driverforsterkeren T 3 som skal gi signalspenning til utgangstrinet T 4 og T 5. Utgangstrinnet har to komplementære effekttransistorer, som gir både strøm og spenning og dermed effekt til høyttaleren. Fra utgangen av forsterkeren til den inverterende inngangen på T2 er koplet en spenningsdeler som fastlegger systemets spenningsforsterkning. Inngangsforsterkeren består av T 1 og T 2 som begge er NPN-transistorer. Inngangssignalet føres til basis på T 1 fra det lille mønsterkort. Dette er merket på det store mønsterkortet med INN. Basis på T 2 brukes til motkoplingen som tas fra høyttalerens utgang ved hjelp av en samling av komponenter. De to transistorene er koplet som en differensforsterker med felles emitterresistens R 9. På grunn av sin relativt store verdi, virker R 9 nesten som en konstantstrømsgenerator. Det resulterer i at når et inngangssignal vil få den ene transistoren til å øke strømmen, vil den andre automatisk minke sin strøm tilsvarende. De arbeider i motfase. Driverforsterkeren T 3 er en PNP-transistor. Den får signalet inn på basis fra kollektoren til T 1. Den arbeider i felles emitterkopling. Kollektorresistansen består av R 14 i serie med R 16, til sammen 660 Ω. Den virker som driver til de to utgangstransistorene og må kunne levere et stort signalsving, fordi T 4 og T 5 arbeider i felles kollektorkopling og gir derfor ingen spenningsforsterkning. Til gjengjeld er strømforsterkning stor. T 6 er også montert i serie med driverens kollektor. Oppgavene til transistoren T 6 blir forklart senere. Effekten til høyttaleren leveres av T 4 og T 5. Høyttaleren er montert mellom de to transistorenes emittere og kraftforsyningens null. Dette kalles for en halvbro. Den ene er en NPN- og den andre er en PNP-transistor. De er begge darlingtontransistorer, som består av to vanlige transistorer koplet sammen slik at strømforsterkningen blir veldig stor. T 4 har sin kollektor koplet til pluss og T 5 har sin kollektor koplet mot minus. Både T 4 og T 5 arbeider i felles kollektorkopling. Det er typisk for felles kollektorkopling at strømforsterkningen er stor, mens spenningsforsterkningen er bare en gang. Hvilestrømmen til utgangstransistorene fastlegges av T 6 som sammen med R 14 og R 16 er montert i kollektoren til drivertransistoren. T 6 har ingen oppgaver i forbindelse med signalbehandlingen, men skal bestemme hvilestrømmen og fastholde denne når forsterkeren blir varm under bruk. Kollektoren til T 6 er koplet til basis på utgangstransistoren T 4, og emitteren til basis på utgangstransistoren T 5. Denne effektforsterkeren arbeider i klasse B, som krever en liten hvilestrøm på ca. 15 ma. Denne verdien er ikke kritisk og har ingen betydning for utgangseffekten. Justeringen av hvilestrømmen gjøres med P 1 som er montert mellom basis og emitter på T 6 via R 3. Hvis ohmverdien til P 1 gjøres stor, vil spenningen fra basis til emitter bli tilsvarende stor og T 6 vil lede mer. Derfor vil den indre resistansen minke og spenningen fra kollektor til emitter vil minke. Utgangstransistoren vil dermed trekke mindre hvilestrøm fordi spenningen over T 6 er spenningen fra basis til basis på utgangstransistorene. Hvis denne spenningen er liten, blir strømmen i utgangstrinet liten, og omvendt hvis spenningen blir stor. armen og endring av hvilestrømmen er et problem. armen som utvikles når forsterkeren arbeider vil få transistorene til at trekke mer strøm. Dermed blir de enda varmere og så kan systemet løpe løpsk. Derfor er T 6 montert på den felles kjøleplaten slik at den også vil bli 7
varm når utgangstransistorene blir varme. Når en transistor blir varm vil dens resistans bli mindre og spenningen over den vil minke. Fordi T 6 er koplet fra basis til basis på utgangstransistorene, vil en oppvarming av T 6 resultere i mindre spenning fra basis til basis og dermed blir hvilestrømmen mindre. Her er altså to motsatte funksjoner. Oppvarmingen av utgangstransistorene vil gi en økning av hvilestrømmen, mens på den andre siden vil oppvarmingen av T6 gi redusert hvilestrøm. Resultatet er en nesten konstant hvilestrøm. Motkoplingen skal fastlegge forsterkerens spenningsforsterkning. ed likespenning skal forsterkningen av hensyn til DC-offsett være så liten som mulig. Forsterkningen av signaler skal imidlertid være så stor at de vanlige mediene kan utstyre forsterkeren. ed konstruksjonen av DIGI-Booster er det lagt vekt på en fyldig bassgjengivelse til tross for en relativt liten høyttaler i et lite kabinett. Derfor er det lagt inn en moderat bassheving i motkoplingssystemet. Motkoplingen lages av resistansene R 6, R 7 og R 10 sammen med kondensatorene C 9, C 10 og C 6. ed likespenning kan en anta at reaktansen til serieforbindelsen til C 9 og C 10 er et uendelig antall ohm. Motkoplingen vil dermed være 100 % uansett resistansenes størrelse. DCspenningsforsterkningen vil være en gang. På grunn av inngangskondensatoren C 7 er DCinngangsspenningen 0 og en forsterkning på en gang gir 0 på utgangen. I det øvre frekvensområdet kan en anta at kondensatorenes reaktans er 0 Ω. Dermed vil spenningsforsterkningen være fastlagt av R 10 og R 6. Dette gir en teoretisk spenningsforsterkning på 16 ganger. Bassområdet vil få en ekstra forsterkning på grunn av seriekoplingen av R 10 og C 6. Fra ca. 400 Hz og nedover i frekvens er det en maks. heving ved 100 Hz. idere nedover faller signalet kraftig. Impedansen til seriekoplingen vil øke når frekvensen blir lavere. Dermed vil motkoplingen minke og forsterkningen øke. Bassen vil bli kraftigere. For at bassøkingen ikke skal virke unaturlig kraftig, er R 7 koplet parallelt over C 6 for å begrense økingen av reaktansen til C 6. Høyttaleren er en bredbåndshøyttaler på 6,5 tommer. Den har en meget stor følsomhet i forhold til sin størrelse. 1 W gir et lydtrykk på 93 db i en avstand på 1 meter. Den vanlige følsomheten for en HI-FI-høyttaler er ca. 85 db. Dette er en forskjell på 8 db som er mer enn en fordobling. Den store følsomheten til høyttaleren er sammen med frekvensgangen til forsterkeren en del av forklaringen på hvorfor DIGI-Booster kan gi en så god lydkvalitet. 8
2 Elektriske målinger Innledning Start med å gjenta de målingene og justeringene du utførte ved oppstarten av din DIGI- Booster. Forsyningsspenningene Mål kraftforsyningens to likerettede spenninger i forhold til null. Mål med et vanlig multimeter på katodene av D 1 og D 2, og deretter på anodene av D 3 og D 4. Den positive forsyningsspenningen måles til Den negative forsyningsspenningen måles til DC-offset Kontroller offsetspenningen. Den skal være i nærheten av null volt. Mål uten at høyttaleren er koplet til. DC-offset måles til Hvilestrøm Til slutt skal du kontrollere at hvilestrømmen er akseptabel. Hvilestrømmen måles indirekte som en spenning som regnes om til strøm. Mål DC-spenningen fra M 2 til M 3. Mellom disse to punktene er en resistansen på til sammen 0,44 Ω. Den samlede spenningen over R 4 og R 11 måles til Hvilestrømmen beregnes deretter ved hjelp av ohms lov til ma. NB! Måleresultatene bør være i samsvar med resultatene fra oppstarten av DIGI-Booster. 9
Utgangseffekt Høyttaleren skal fjernes fra forsterkeren. Den skal erstattes med en lastresistans på 8,2 Ω, som minst må kunne tåle 10 W. Kopl en signalgenerator til jack-inngangen. Frekvensen skal være 1000 Hz. Styrkekontrollen på DIGI-Booster skal dreies helt opp. Kopl et oscilloskop over lastresistansen. Husk at den sorte høyttalerledningen er null-lederen og at den skal koples til oscilloskopets null-leder. Juster størrelsen på signalet fra signalgeneratoren til sinuskurven på oscilloskopet når klippegrensen. Tegn oscilloskopbildet. Oscilloskopets innstilling Y-følsomhet = X-hastighet = volt/di msek/di Les utgangssignalets spiss/spiss-verdi og regn om til effektivverdi og skriv formelen: U s/s = U eff = = = Hvis du har et AC-voltmeter, bruk også dette til å måle effektivverdien til utgangssignalet. Hvis ikke regn videre med den U eff du nettopp har beregnet. Prøv også om ditt multimeter kan lage denne målingen i stilling AC-volt. U eff = Denne målingen er utført med erdiene fra oscilloskopmålingene bør være nesten like de verdiene du har målt med multimeteret. Utgangseffekt Skriv formelen og beregn DIGI-Boosters utgangseffekt. P ut = = = W (RMS) 10
Inngangssignal og følsomhet Du skal nå fjerne signalgeneratoren fra forsterkeren uten å endre innstillingene på signalgeneratoren. Kopl signalgeneratoren til oscilloskopet og tegn bildet av inngangssignalet som forsterkeren har vært tilført. Oscilloskopets innstilling Y-følsomhet = X-hastighet = volt/di msek/di Les av inngangssignalets spiss/spiss-verdi og regn om til effektivverdi. U s/s = U eff = = = Hvis du har et AC-voltmeter, bruk også dette til å måle effektivverdien til inngangssignalet. Hvis ikke regn videre med den U eff du nettopp har beregnet. Prøv om ditt multimeter kan utføre denne målingen i stilling AC-volt. U eff = Denne målingen er utført med erdiene fra oscilloskopmålingene bør være nesten like de verdiene du har målt med multimeteret. Følsomheten til en forsterker defineres ofte som størrelsen på det inngangssignalet som gir full utgangseffekt. Dermed er følsomheten til DIGI-Booster målt til. Spenningsforsterkning Forholdet mellom utgangsspenningen målt over lastresistansen og inngangsspenningen er systemets spenningsforsterkning. Beregn denne og skriv formelen. Spenningsforsterkningen: F u = = = ganger 11
Frekvensgang DIGI-Booster forsterker ikke alle signaler likt i det aktuelle frekvensområdet. Det kan vises med en kurve som viser utgangsspenningen som funksjon av frekvensen. Hvis ikke nivået på signalet justeres ned er det fare for overstyring av forsterkeren. Under denne målingen skal signalgeneratorens signal justeres ned til spenningen over belastningsresistansen blir 1. Start målingen ved 1000 Hz. Prikk inn på kurvepapiret hvor 1 og 1000 Hz er. Signalgeneratorens signalstyrke skal holdes konstant under hele målingen. Juster signalgeneratorens frekvens i sprang ned til 10 Hz og prikk utgangsspenningen inn på kurvepapiret ved hver frekvensendring. Gå deretter tilbake til 1000 Hz. Juster generatorens frekvens i sprang opp mot 100 khz og prikk inn de avleste verdiene på kurvepapiret. Tegn deretter kurven som viser utgangsspenningen som funksjon av frekvensen. Det skal måles effektivverdier under denne målingen. Hvis du har et AC-voltmeter, bruk dette. Det er også mulig å bruke et multimeter med tilstrekkelig stort frekvensområde. Hvis ikke bruk et oscilloskop og regn om fra spiss/spiss-verdi til effektivverdi. Uut volt 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 10 20 40 100 200 400 1 k 2 k 4 k 10 k 20 k 40 k 100 k Hz Frekvens 12
Kraftforsyningen består av nettransformer, likeretter og kondensatorer. Transformatorens primærvikling er beregnet for 230 og 50 til 60 Hz. Sekundærviklingen er merket 2 x 12 målt ved 2 x 8 voltampere. AC-målinger på likeretter Fjern sikringene på det store mønsterkortet og kopl DIGI-Booster til lysnettet. Transformeren er nå uten belastning, men får tilført nettspenning. Mål transformatorens to sekundærspenninger med oscilloskop. Forsterkerens kabinett er forsterkerens null som oscilloskopets null skal koples til. Mål sekundærspenningene med oscilloskopets to kanaler samtidig på de to sikringsholderne. Tegn inn de to oscilloskopbildene. Noter Y-følsomhet og X-hastighet. Oscilloskopets innstilling Y-følsomhet = X-hastighet = volt/di msek/di Sekundær: 1 U s/s = U eff = = = Sekundær: 2 U s/s = U eff = = = 13
Mål de to sekundærspenningene med et vanlig multimeter innstilt til å måle AC-volt. Mål i forhold til null. Sekundær 1: U eff = Sekundær 2: U eff = Frekvens og periodetid ed hjelp av X-hastigheten skal du lese av tiden for en periode. Periodetiden skal regnes om til frekvens. is formlene og fremgangsmåten. Periodetid: t per = msek Frekvens: f = = = Hz DC-målinger Sikringene skal nå monteres. Mål de to likerettede spenningene i forhold til null. Mål med et vanlig multimeter på katodene av D 1 og D 2 og deretter på anodene av D 3 og D 4. + U ut = U ut = 14
3 Oppgaver Forutsetninger i forutsetter at du har gjennomarbeidet beskrivelsen av DIGI-Boosters system. i forutsetter også at du har målt de elektriske verdiene på en DIGI-Booster. Du bør derfor nå kunne løse disse oppgavene. Oppgavene løses individuelt eller i grupper. For å løse oppgavene kan du bruke nettet og diverse lærebøker. Spesielt anvendelig er Den elektriske porteføljen fra Basisforlaget. Oppgave 1 a Over alt i DIGI-Booster er spredt et stort antall resistanser. Tegn det elektriske symbolet for en resistans. b c d Ofte er den ohmske verdien angitt ved hjelp av den internasjonale fargekoden. De fleste resistansene i DIGI-Booster er kodet med tre ringer for å angi den nominelle verdien, og en ring for å angi presisjonen. Skriv opp fargekoden og forklar hvordan systemet virker for tre fargeringer. Forklar hvor mange ohm en komponent som er merket gul-fiolett-orange må være. Forklar også hvordan en resistans på 68 Ω må være kodet. Oppgave 2 a Skriv ohms lov i tre utgaver for å beregne spenning, strøm og resistans. b c d Hvis spenningen er 230 og belastningsresistansen er 1000 Ω, hvor stor strøm løper i kretsen? Hvis spenningen er 24 og det løper en strøm på 0,5 A, hvor stor er da resistansen? Hvis det løper en strøm på 1,1 A og resistansen er 8,2 Ω, hvor stor er da spenningen over resistansen? Oppgave 3 a Tegn det elektriske symbolet for en vanlig likeretterdiode og skriv navn på ledningene. b c is hvordan en diode koples for å være i henholdsvis lederetning og sperreretning. Hvilken spenning vil det omtrent være over en diode i lederetning? Oppgave 4 a Forklar hva en kondensator er for noe, tegn symbolet og angi måleenheten for den elektriske størrelse? b På DIGI-Booster er noen av kondensatorene i en aluminiumskapsel. Hvilken type er dette og hva er spesielt for denne typen? 15
Oppgave 5 a Tegn det elektriske symbolet for en transformator og forklar hva hensikten er med denne komponenten. Forklar også hvordan den mekanisk er bygd opp. b c Hvordan angir man en transformators elektriske størrelse og hva forstår man med en transformators omsetningsforhold? Beregn omsetningsforholdet til DIGI-Boosters transformator. Oppgave 6 Tegn koplingsskjemaet til en likeretter med transformer, diode, ladekondensator og en lyspære som belastning. is på skjemaet hvor nullederen er. Likeretteren skal gi en positiv spenning i forhold til nullederen. Oppgave 7 Tegn koplingsskjemaet til en likeretter med transformer, diode, ladekondensator og en lyspære som belastning. is på skjemaet hvor nullederen er. Likeretteren skal nå gi en negativ spenning i forhold til nullederen. Oppgave 8 a Tegn det elektriske symbolet for en NPN-transistor og for en PNP-transistor. Skriv navn på ledningene. b c d e Tenk deg at emitterene er koplet til null. Forklar hvilke polariteter det må være på ledningene til de to transistortypene når de skal trekke strøm. Hvilken egenskap er den mest betydningsfulle for en transistor. Skriv formelen for strømforsterkning. Forklar hva som menes med at et transistorpar er komplementært. Oppgave 9 is med en tegning hvordan de to transistorene som til sammen utgjør en darlingtontransistor er internt koplet sammen. is dette både for en NPN- og PNP-type og forklar hvorfor strømforsterkningen i en slik transistor er meget stor. Oppgave 10 a Tegn symbolet for en integrert operasjonsforsterker. Operasjonsforsterkeren har to signalinnganger, en merket med et +tegn og en merket med et tegn. Forklar hva denne merkingen viser. b Operasjonsforsterkeren har to grunnkoplinger når den skal brukes som forsterker. Tegn begge grunnkoplingene. Skriv under hvert skjema formelen som nyttes til beregning av spenningsforsterkningen. 16
Oppgave 11 Selv om DIGI-Booster er laget med diskrete komponenter er den i virkeligheten en operasjonsforsterker. Forklar hvilken av de to grunnkoplingene som er brukt og angi hvilke komponenter som inngår i motkoplingsnettverket. Oppgave 12 a Skriv de tre vanlige formlene for å beregne effekt. b c Spenningen over en resistans på 8,2 Ω måles til 8,6. Beregn den avsatte effekten. I en lastresistans avsettes en effekt på 52,9 W ved en spenning på 230. Hvor mange ohm må resistansen ha? Oppgave 13 a Den maksimale teoretiske utgangseffekten som en forsterker kan gi er bestemt av forsyningsspenningens størrelse. Anta at en forsterker har en forsyningsspenning på +/ 10. Den kan derfor teoretisk gi en spiss/spiss-spenning på 20. Beregn effekten som teoretisk kan avsettes i en lastresistens på 8 Ω. b c Deretter skal du beregne den teoretiske effekten i den samme belastningsresistansen, men nå med en forsyningsspenning på +/ 20. Beregn denne forsterkerens utgangseffekt. Forklar hvor mange ganger utgangseffekten øker. Forklar også sammenhengen mellom endringen på spenningen og endringen på effekten. 17
18